云州水庫副壩區(qū)防滲工程設(shè)計與施工

王海峰

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

云州水庫副壩區(qū)防滲工程設(shè)計與施工

王海峰

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

云州水庫運行30多年來，雖經(jīng)過續(xù)建和加固，但未從根本上解決水庫主要建筑物自身安全和對下游地區(qū)的防洪安全。水庫副壩區(qū)滲漏嚴重，高水位運行時存在滲流穩(wěn)定問題。經(jīng)過論證分析，副壩區(qū)采用混凝土防滲墻垂直防滲，防滲墻截滲總面積3萬m2。防滲墻工程已建成1a多，截斷了副壩及庫岸區(qū)強滲漏帶，減小了庫區(qū)滲漏，消除了安全隱患。

副壩區(qū)；滲漏；防滲墻；設(shè)計；施工

1 工程概況

云州水庫位于河北省張家口市赤城縣云州鎮(zhèn)北3km處，系潮白河主要支流白河上的一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，總庫容1.02億m3。水庫于1958年動工興建，1972年建設(shè)完成，后又進行了續(xù)建、加固和震害處理。水庫樞紐建筑物包括主壩、副壩、泄洪洞、發(fā)電輸水洞及壩后式電站。

水庫運行30多年來仍存在一系列問題：主壩、副壩壩坡穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，副壩區(qū)及庫岸滲漏嚴重、滲流穩(wěn)定；泄洪洞淤積嚴重；閘門、啟閉機設(shè)備老化；大壩安全監(jiān)測與管理設(shè)施不完善等。為保證水庫的正常運用，消除水庫自身的嚴重威脅及其對下游地區(qū)的防洪安全，水庫亟需進行除險加固防護。

2 副壩區(qū)滲漏問題及地質(zhì)情況

2.1 副壩區(qū)滲漏

云州水庫副壩位于主壩右側(cè)約1km的白河古河床上，古河床總寬830m，為U型谷。副壩及所在區(qū)域的古河道庫岸為副壩區(qū)。水庫自建成蓄水至今，古河道庫岸一直存在滲漏問題。由于滲漏嚴重，多年來水庫始終低水位運行，最高水位僅達到1028.56m，低于正常蓄水位1029.60m，遠低于副壩壩頂高程1033.67m。對于不同的庫水位，庫岸滲漏量隨水位的升高而增大；對于同一庫水位，庫岸滲漏量隨水庫運行的年限增長而增大。副壩區(qū)完全狀況呈逐步惡化趨勢。

由于古河道常年有滲水存在，現(xiàn)副壩區(qū)下游河床局部已形成3000m2的小范圍沼澤化地帶。河床卵石層中細顆粒含量較大，在水頭作用下不斷沿滲漏通道流失，逐漸增大卵石層的透水性，并在下游河床地形較低、通透性較好的部位出溢，副壩下游860m處常年溢水，并伴有冒砂現(xiàn)象。雖然滲流出溢點距副壩較遠，但長時間的滲漏會破壞卵石層的穩(wěn)定性，致使?jié)B漏范圍進一步擴大，特別是水庫高水位運行時，局部發(fā)生的管涌有可能形成大的滲漏通道，危及大壩安全。

2.2 副壩區(qū)地質(zhì)

副壩區(qū)古河床左岸山體巖性為花崗巖，屬非可溶巖類，且山體較為高大寬厚、無單薄分水嶺及斷層分布，視為相對隔水層；右岸為黃土狀土坡體，屬微透水、弱透水層。副壩區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為上覆蓋層、下基巖的雙層結(jié)構(gòu)。上部壤土覆蓋層，屬微透水、弱透水層。其下分布卵石層，范圍廣、厚度大，總寬度約830m，層厚9.5～68.5m，多呈密實狀態(tài)，平均粒徑d50為11.5～60mm。根據(jù)不同時間勘察卵石層注水試驗成果分析，卵石層普遍屬于中等透水層，但層中存在集中滲漏帶。在鉆探過程中，發(fā)現(xiàn)滲流帶有漏漿現(xiàn)象，漏漿層在高程1005～1019.1m段，樁號0+050～0+550，說明此層段通透性較強，已經(jīng)形成了較強的滲漏帶，是水庫滲漏的主要渠道。下伏基巖為花崗巖及片麻巖，巖體完整性較好，為弱透水層，透水率較小。

3 副壩區(qū)防滲工程設(shè)計與施工

3.1 垂直防滲方案

為解決副壩區(qū)滲漏問題，消除滲流穩(wěn)定安全隱患，副壩區(qū)庫岸必須進行防滲處理。對于砂卵石基礎(chǔ)滲漏采取垂直防滲和水平防滲兩種方案處理措施。經(jīng)比較，兩方案均可解決副壩區(qū)古河道的滲漏問題，但各有優(yōu)缺點。根據(jù)云州水庫副壩區(qū)的實際情況，從施工期蓄水和汛期防洪，工程管理運用，防滲材料的耐久性、可靠性和工程投資等方面綜合分析考慮，采用垂直防滲方案對副壩區(qū)古河道滲漏進行處理更為合理。

為確定合理的防滲軸線，在副壩軸線及軸線上游50m、下游50m共3條線路進行了比選。壩軸線至其上游50m范圍內(nèi)基巖面高程變化較小，起伏差一般為1～2m，且變化無規(guī)律性；壩軸線下游50m布線基巖面高程局部地段較同樁號軸線處有所抬高，但總體并無明顯升高趨勢。由于3條防滲軸線工程地質(zhì)條件相似，確定采用副壩原壩軸線作為防滲軸線。

副壩區(qū)庫岸滲漏加固處理的主要目的是盡量減少庫岸滲漏量、避免副壩區(qū)出現(xiàn)滲流破壞的可能。根據(jù)副壩區(qū)地質(zhì)情況，對副壩區(qū)古河床中的強集中滲漏帶進行防滲加固處理。

考慮混凝土防滲墻和帷幕灌漿兩種防滲方案的實施長度分為全部隔斷滲流通道（全封閉）和僅隔斷強滲漏通道（半封閉）。

由于副壩兩岸地形變化較大，進行防滲墻施工時其施工平臺可隨地形做成臺階狀（高平臺）或以壩頂高程為準經(jīng)大開挖后形成同一平臺（低平臺），各方案技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。

表1 副壩區(qū)垂直防滲方案技術(shù)經(jīng)濟指標

表1中9個方案采用的防滲頂高程均按強集中滲漏帶上限確定。在防滲范圍方面，全部封閉或半封閉都是對設(shè)計防滲頂高程以下的卵石層而言，均屬于局部防滲，只是防滲長度不同。由于古河床下伏基巖和強滲漏帶以外的覆蓋層段滲透性較差，故兩者均可滿足設(shè)計的防滲要求。

綜合分析9個方案實施后的防滲效果，施工對機具、場地平臺的要求，開挖回填對環(huán)境的影響，工程投資及工程實施對下游環(huán)境和居民生活的影響，采用了方案5的混凝土防滲墻（低平臺半封閉方案）對副壩區(qū)庫岸進行防滲處理。

3.2 防滲墻設(shè)計

3.2.1 確定防滲墻長度

考慮工程實施對下游環(huán)境和居民生活的影響，不宜將滲流全部截斷，故加固設(shè)計原則上只截斷強集中滲漏層段。以封堵住強集中滲漏帶為原則，在此基礎(chǔ)上墻體向兩側(cè)適當延伸。按確定的防滲墻軸線經(jīng)布置后防滲墻頂長600m。

3.2.2 確定防滲墻頂、墻底高程

為指導施工，進一步查明基巖埋深情況，防滲墻施工前在其中心線上加密進行了23個先導孔的鉆探工作，總進尺1140.1m，基巖面呈現(xiàn)出兩側(cè)略高、中間低的特點。

混凝土防滲墻體頂高程取強滲漏帶上限1020m，墻體底部深入強風化基巖1m，防滲墻造孔深度36.5～52.4m，相應底高程988.3～1004.2m，造孔終孔時每個槽段槽底形成臺階狀。

3.2.3 確定防滲墻厚度

本工程混凝土防滲墻最大作用水頭34m，綜合各種因素和參數(shù)相關(guān)資料：取混凝土防滲墻允許水力坡降80，計算混凝土防滲墻最小厚度43cm；由于河床為卵石層，造孔深度多在40～50m，參照工程類似條件和已建工程施工設(shè)備及施工水平，取防滲墻厚度60cm；混凝土防滲墻抗蝕年限120a。取墻高最大斷面對墻體強度進行驗算，經(jīng)計算墻體沒有出現(xiàn)拉應力，最大壓應力0.9MPa，遠小于墻體混凝土的允許抗壓強度。

3.2.4 防滲墻頂平臺布置

由于原副壩區(qū)地形高低不平，為便于施工，結(jié)合副壩加固，防滲墻統(tǒng)一采用1040.7m高程平臺施工，平臺總長610m，寬16m布置鉆機工作平臺、倒?jié){平臺和施工道路。

3.2.5 防滲墻體材料

1020 m高程以下防滲墻采用C10W8F50混凝土，混凝土墻頂以上（1020～1040.7m）回填固化灰漿。在防滲墻施工中，考慮下部混凝土防滲墻和上部固化灰漿的連接及槽孔內(nèi)墻體澆筑方便，在不改變防滲功能的前提下，將混凝土防滲墻頂以上墻體由固化灰漿調(diào)整為塑性混凝土，其他設(shè)計指標不變。其塑性混凝土抗壓強度不小于3MPa，彈性模量300～1000MPa。

3.2.6 監(jiān)測儀器布置

樁號0+020、0+022、0+120、0+122和0+470、0+472的防滲墻軸線上下游1.8m處各布設(shè)1個滲壓計。滲壓計埋設(shè)在基巖面以上1.5m高程處。

樁號0+020、0+120和0+470處的防滲墻體內(nèi)布設(shè)3個觀測斷面。每個斷面布設(shè)4支土壓力計、4支應變計、2支無應力計。根據(jù)實際地形情況，在防滲墻外軸線兩側(cè)分別布設(shè)2個測壓管。

3.3 防滲墻施工

3.3.1 施工布置

防滲墻施工前經(jīng)土方開挖和回填，形成寬16m的施工平臺。鉆機工作平臺總寬度5m，其中鋼筋混凝土導墻寬2m，導墻下游布置倒?jié){平臺、排漿溝和施工道路。根據(jù)現(xiàn)場地形條件和周邊環(huán)境情況布設(shè)膨潤土倉庫、泥漿攪拌站、儲漿池和混凝土拌和站等生產(chǎn)設(shè)施。

3.3.2 施工方法及工藝要求

防滲墻成槽采用CZ-22型沖擊鉆機鉆劈法施工成槽，造孔采用膨潤土拌制泥漿護壁，抽筒法進行孔內(nèi)排渣及清孔換漿。槽孔施工分兩期，共100個槽孔，單個槽孔長度5.3～7.0m。相鄰槽孔采用“鉆鑿法”連接（套打一鉆），即在2期槽孔端頭與1期槽孔套打一鉆，接頭孔采用鋼絲刷分段刷洗。

鉆到設(shè)計深度后，經(jīng)巖樣鑒定，確認滿足要求后終孔。槽孔終孔后進行孔位、孔深、槽孔寬度及孔斜全面檢查、驗收合格后清孔換漿。要求馬氏漏斗粘度、密度、含砂量3項泥漿指標合格，孔底淤積厚度不大于10cm。

混凝土的工作性能為：坍落度18～22cm，擴散度34～40cm，坍落度保持15cm以上的時間不小于1h，混凝土初凝時間不小于6h，終凝時間不大于24h。

防滲墻混凝土澆筑采用水下直升導管法澆筑，每個槽孔布置2～3套內(nèi)徑為250mm的導管，導管底距孔底25cm，內(nèi)用球膽隔離混凝土與泥漿。將拌制好的混凝土用混凝土泵送至槽孔孔口分料盤，通過直徑250mm的導管灌入槽底，邊澆筑邊上提導管，在澆筑至距槽孔口20.7m位置后，用塑性混凝土澆筑至設(shè)計高程。

防滲墻混凝土澆筑時，埋管深2～4m，每30min量測1次混凝土面深度，每2h量測1次導管內(nèi)混凝土面深度，控制各側(cè)點高差不大于50cm。施工中繪制澆筑指示圖，作好各項記錄，隨時掌握澆筑高度，當混凝土澆筑接近頂部導管時，放慢澆筑速度，注意導管埋深，掌握下料方量，使混凝土面均勻上升，最終使混凝土澆筑達到設(shè)計高程。

3.3.3 質(zhì)量檢查

防滲墻施工完成后，鑿除樁頭后經(jīng)直觀檢查，墻體連接性良好，墻體厚度符合設(shè)計要求。在墻體共布設(shè)了6個孔的取芯檢查，鉆孔總進尺286.4m。檢查孔均進行了注水試驗，混凝土芯樣分別進行了抗壓、彈模、抗?jié)B等試驗，均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

（1）副壩區(qū)防滲工程已建成1a多，觀測期庫水位為1022.56～1027.44m時，副壩防滲墻墻前水位1017.93～1020.57m，墻后水位1014.14～1016.60m，水位差4m，可見修建混凝土防滲墻后，截斷了副壩及庫岸區(qū)強滲漏帶，消除了庫岸及壩基發(fā)生滲流破壞的可能，減小了水庫滲漏量。觀測期防滲墻軸線外布設(shè)的測壓管水位1017.927～1020.657m，與防滲墻墻前水位相差很小，表明防滲墻兩側(cè)存在繞滲現(xiàn)象，因此對下游居民生產(chǎn)生活及周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響很小。

（2）修建防滲墻后，古河道下游沼澤化地帶原出溢點絕大多數(shù)消失，未出現(xiàn)冒砂現(xiàn)象，古河床滲漏量已大大減少，混凝土防滲墻已起到了很好的防滲漏作用，消除了安全隱患，保證了副壩區(qū)的滲流穩(wěn)定和大壩的安全。

［1］高鐘璞．大壩基礎(chǔ)防滲墻［M］．北京：中國電力出版社，2000．

［2］王清友，孫萬功，熊歡．塑性混凝土防滲墻［M］.北京：中國水利水電出版社，2008．

［3］蘭卿良，曹洪波．黃壁莊水庫除險加固工程科學研究文集［M］．北京：中國科學技術(shù)出版社，2005．

［4］SL174—96，水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范［S］．

［5］河北省水利水電勘測設(shè)計研究院．云州水庫除險加固工程初步設(shè)計報告［R］．2006．

［6］孫繼江．黃壁莊水庫副壩垂直防滲工程設(shè)計［J］．水利水電技術(shù)，2005（4）．

［7］孫繼江，李繼東．黃壁莊水庫副壩垂直防滲工程施工［J］．水利水電技術(shù)，2005（4）．

Design and Construction of Seepage Prevention Works of Auxiliary Dam in Yunzhou Dam

WANG Hai-feng
（Hebei Research Institute of Inverstigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

After continued construction and reinforcement for the past three decades，the problem of the safety of the major structures and the flood control in the downstream in the Yunzhou Dam is still not solved.Becaues of the serious seepage auxiliary dam，the seepage problem and stability of dam have existed when the reservoir in the high water mark movement.After analysis and discussion，the vertical anti-seepage of concrete anti-seepage wall with a total area of about 30 thousand m2is introduced in the auxiliary dam.Since its commission for one year，the seepageinterception has been made in the strong seepage zone of the auxiliary dam and dam region，the potential safety hazard has been eliminated，the seepage in dam region has been reduced.

auxiliary dam；seepage；anti-seepage wall；design；construction

TV543

A

1672-9900（2012）02-0033-03

2012-01-13

王海峰（1971-），男（漢族），河北萬全人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，（Tel）022-26154642。